ADS仿真微带型lange耦合器学习笔记

一、 基本工作原理

Lange耦合器结构如图，输入端口①的输入功率一部分直接传送给直通端口②，另外一部分耦合到耦合端口③，在理想的定向耦合器中，没有功率传送到隔离端口④。Lange耦合器的直通端口②与耦合端口③之间有90°的相位差，可见Lange耦合器是正交耦合器。Z0为输入输出微带线阻抗，W为微带线的宽度，S为微带线之间的间距，λ/4为工作带宽中心频点处的四分之一波长。

Lange耦合器的耦合系数常用C表示，影响耦合系数C的参数如下：

a) 线宽W

b) 缝隙宽度S

c) 基板介电常数

d) 导体厚度T

缝隙宽度S、微带线宽W和导体厚度T对耦合系数C有较大影响，而基板介电常数主要对特性阻抗有影响。

二、 基本指标

1. 耦合度

耦合端口的输出功率对输入端口的功率的比值

2. 隔离度

隔离端口的输出功率对输入端口的功率的比值

3. 定向度

耦合端口的输出功率对隔离端口的输出功率的比值

4. 插入损耗

直通端口的输出功率对输入端口的输入功率的比值

三、ADS仿真设计实例

(以ADS2016版本进行仿真设计，其他版本设置和仿真可能会不一致)

3.1 设计要求：

频率范围：0~20GHz；

中心频率fc：12GHz

在8~16GHz的输入驻波比：＜1.2

在中心频点fc：12GHz的插损和耦合度：2.9dB ＜ IL = C ＜3.1dB

在8~16GHz的定向度：D ＞ 17dB

在8~16GHz的隔离度：I ＞ 20dB

3.2 仿真流程和步骤：

1、新建一个工程

命名为“lange_coupler“，新建一个原理图cell，并命名为“lange_coupler”，一切采取默认设置即可。

2、设计原理图

加入微带lange耦合器和微带基片MSUB（在TLines-Microstrip中），并插入S_Params模板，并另外添加两个端口Term，用线连接起来，如图所示

小技巧：在Simulation-S_Params中，可以插入等式控件，”MeasEqn”，在栏中输入“Radio =S（2,1）/S（3,1）“，如图所示。

3、设计完成

1端口为输入端，2端口为直通端，3端口为耦合端，4端口为隔离端，Radio为直通端口和耦合端口之间的相位差。

4、微带基板的参数设置

采用氧化铝作为微带线的介质基板，设置如图所示：

5、lange耦合器的参数设置

使用介电常数为9.6氧化铝基板制作3dB Lange耦合器有以下的经验公式：

W/H = 0.107, 其中W是微带线宽

S/H = 0.071，S为微带线之间的间距，H为微带线基板的厚度

L = λ/4，工作带宽中心频点处的四分之一波长。

计算得到 W = 1.605mil，S = 1.065mil，L = 100mil，设置参数如图：

6、原理图仿真

扫频范围：0.01GHz~20GHz，step：0.01GHz，点击仿真，查看结果，可以将S(1,1)转换成VSWR，设置如下：

7、查看结果

结果明显不满足设计要求，接下来进行参数优化。

通过理论分析，微带线宽W，微带线间距S和导体厚度T对耦合系数C产生影响。

8、添加VAR变量W，T和S

W优化范围1-2，S优化范围0.8-1.5，T的优化范围为0.1~0.2（可以自行设置范围，如果没有达到条件可以适当加宽范围进行优化）

9、添加控件“Optim“和“Goal”到原理图中

（在“Optim/Stat/Yield/DOE“元器件库）

10、双击“Optim“控件进行设置

在“Optimization Type”栏中选择“Random”项，在Number of iterations 栏中数字为100。常用的优化方法有Random（随机），和Gradient（梯度）等。其中，随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。

设置Goal控件为：

11、进行优化

优化完成后查看各个指标是否满足要求，如果不满足在进行优化，记得把参数更新到原理图中，update design。

12、优化后的结果是满足要求的。

（注意：优化后查看结果发现之前的结果都是空白无效的，这时候就需要把参数更新到原理图中，重新仿真一下结果就出来了。）

13、生成版图，进行仿真

将无关的器件进行失效，执行菜单命令Layout—Generate/update layout，如图所示

14、添加端口，设置基材，扫频设置

基材从原理图中导入进来的

这里不知道怎么修改的话，可以查看一下3D preview

15、查看结果

结果是有些恶化，需要在原理图重新进行优化，在进行版图仿真，这里不做进一步的优化。